JP2005207399A - 内燃機関および内燃機関の運転方法 - Google Patents

内燃機関および内燃機関の運転方法 Download PDF

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Abstract


【課題】 燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の提供。
【解決手段】 燃焼室2の内部で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関1は、燃焼室2から排出される排気ガスを利用して燃焼室2に吸入される空気を過給する過給機20と、燃焼室2から過給機20に供給される排気ガスの量を調整するためのウェイストゲートバルブ25と、EUC50とを備え、ECU50は、過給機20のタービン入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機20に流入する排気ガスの量が減少するようにウェイストゲートバルブ25を制御する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関およびその運転方法に関し、特に、排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備えた内燃機関およびその運転方法に関する。
従来から、機関効率を向上させるために、電子制御可能なスロットルバルブ(絞り弁)と過給機とを備えた内燃機関が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この内燃機関では、アクセルペダルの変位が50%までの領域において、所望の機関出力が得られるように、スロットルバルブの開度が電子制御される。また、アクセルペダルの変位が50%以上となる領域では、ウェイストゲートバルブによって過給機に流入する排気ガスの流量を調節することにより過給圧が制御され、これにより、所望の機関出力が得られる。
特開平07−150990号公報
しかしながら、排気ガスの温度が高い場合、ウェイストゲートバルブの設定によっては、過給機の排ガス入口温度(タービン入口温度)が過剰に上昇してしまうことがある。このような場合、排気ガスの温度を低下させるべく、燃焼室への燃料供給量を増加させることになるが、これでは、燃焼室への混合気の空燃比を概ね理論空燃比に保つストイキ運転を実行することが困難となり、機関効率を低下させてしまうおそれがある。
そこで、本発明は、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の提供を目的とする。
本発明による内燃機関は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室から排出される排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機と、燃焼室から過給機に供給される排気ガスの量を調整するための排ガス流量調整手段と、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量が減少するように排ガス流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
この内燃機関では、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合、制御手段によって排ガス流量調整手段が制御され、過給機に流入する排気ガスの量が減少させられる。これにより、過給機の排ガス入口(タービン入口)の過剰な昇温を抑制することが可能となり、排気ガスの温度を低下させるために燃焼室への燃料供給量を増加させる必要がなくなる。従って、この内燃機関では、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる。
また、本発明による内燃機関は、燃焼室に吸入される空気の量を調整するためのスロットルバルブを更に備え、制御手段は、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量が減少するように排ガス流量調整手段を制御すると共に、燃焼室に吸入される空気の量が増加するようにスロットルバルブを制御するものであると好ましい。
このように、過給機の排ガス入口(タービン入口)の過剰な昇温を抑制すべく、過給機に流入する排気ガスの量を減少させた場合には、燃焼室に吸入される空気の量を増加させることにより、過給圧の低下に起因するトルクの低下を抑制して所望のトルクを確保することができる。
本発明による内燃機関の運転方法は、排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備え、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の運転方法において、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量を減少させることを特徴とする。
この場合、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量を減少させる一方、燃焼室に吸入される空気の量を増加させると好ましい。
本発明によれば、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の実現が可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関1は、車両用の多気筒内燃機関(例えば、4気筒内燃機関、ただし、図1には1気筒のみが示される。)として構成されており、各燃焼室2内での混合気の燃焼によりピストン3を往復移動させて、クランクシャフトSから動力を得るものである。なお、ここでは、内燃機関1は、いわゆるガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。
図1に示されるように、各燃焼室2に連なる吸気ポート4は、吸気マニホールドを介して吸気管6にそれぞれ接続され、各燃焼室2に連なる排気ポート5は、排気マニホールドを介して排気管7にそれぞれ接続されている。また、内燃機関1のシリンダヘッドには、吸気ポート4を開閉する吸気弁Viと、排気ポート5を開閉する排気弁Veとが燃焼室2ごとに配設されている。各吸気弁Viおよび各排気弁Veは、動弁機構8によって開閉させられ、この動弁機構8は、吸気弁Viおよび排気弁Veの少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させることができる可変バルブタイミング機構(開弁特性設定手段)を含む。更に、内燃機関1は、気筒数に応じた数の点火プラグ9を有し、点火プラグ9は、対応する燃焼室2内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。
また、内燃機関1は、筒内噴射用インジェクタ10cを気筒数に応じた数だけ有している。各筒内噴射用インジェクタ10cは、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室2の内部に直接噴射可能なものであり、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク(何れも図示省略)に接続されている。加えて、内燃機関1は、図1に示されるように、複数のポート噴射用インジェクタ10pを気筒数に応じた数だけ有している。各ポート噴射用インジェクタ10pは、ガソリン等の燃料を対応する吸気ポート4の内部に噴射可能なものであり、図示されない燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する上記燃料タンクに接続されている。筒内噴射用インジェクタ10cは、燃焼室2ごとに少なくとも1体ずつ備えられ、ポート噴射用インジェクタ10pも、吸気ポート4ごとに少なくとも1体ずつ備えられる。
一方、吸気管6は、図1に示されるように、サージタンク11に接続されている。このサージタンク11は、給気管12を介してエアクリーナ14に接続されており、吸入空気中のゴミや塵等は、エアクリーナ14によって除去される。また、給気管12の中途には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ15が設置されている。本実施形態では、スロットルバルブ15として、アクセルペダルAPの操作量(踏込量)を検出するアクセル位置センサ15a、スロットルバルブ15を開閉するためのスロットルモータ15bおよびスロットルバルブ15の開度を検出するスロットル開度センサ15cを含む電子制御式スロットルバルブが採用されている。更に、給気管12には、エアクリーナ14に流入した空気の量を求めるための吸気量センサ13と、スロットルバルブ15に流入する空気の量を求めるための吸気量センサ16とが配置されている。なお、吸気量センサ16としては、エアフローメータや圧力センサが利用される。
また、排気管7は、図1に示されるように、例えばNOx吸蔵還元触媒を含む触媒装置17に接続されており、この触媒装置17において各燃焼室2からの排気ガスが浄化される。そして、触媒装置17には、触媒床温を取得するための温度センサ18が備えられる。なお、内燃機関1に、排気管7から吸気系統のサージタンク11に向けて排気ガスを還流させるためのEGR(Exhaust Gas Recircu1ation)流路が設けられてもよい。この場合、EGR流路の中途には、排気ガスの還流量を調節するためのEGR弁が備えられる。
更に、上述の内燃機関1は、高出力化と低燃費化との双方を達成できるよう、過給機(ターボチャージャ)20を備えている。過給機20は、図1に示されるように、タービンインペラ(タービン要素)21と、圧縮機インペラ(圧縮機要素)22とを含む。タービンインペラ21と圧縮機インペラ22とは、回転軸23により互いに連結されて一体化している。図1に示されるように、タービンインペラ21は、排気管7と触媒装置17との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。圧縮機インペラ22は、給気管12のエアクリーナ14とスロットルバルブ15との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。これにより、各燃焼室2からの排気ガスによって回転させられるタービンインペラ21により圧縮機インペラ22を回転駆動することが可能となり、圧縮機インペラ22により、エアクリーナ14を介して吸入された空気を圧縮(過給)することができる。
また、排気管7に対しては、過給機20をバイパスするバイパス流路24が設けられており、この流路の中途には、弁体と、この弁体を移動させるアクチュエータとを含むウェイストゲートバルブ(排ガス流量調整手段)25が設置される。ウェイストゲートバルブ25のアクチュエータは、バルブ制御ユニット26に接続されており、バルブ制御ユニット26を介してアクチュエータを制御することにより、各燃焼室2から過給機20(タービンインペラ21)に供給される排気ガスの量を変化させて過給圧を調整することができる。すなわち、ウェイストゲートバルブ25の開度を増加させると、タービンインペラ21に流入する排気ガスの量が減少して過給圧が低下する。また、ウェイストゲートバルブ25の開度を減少させると、タービンインペラ21に流入する排気ガスの量が増加して過給圧が高まる。
更に、内燃機関1は、過給機20(圧縮機インペラ22)とスロットルバルブ15との間に位置するように給気管12に組み込まれたインタークーラ27を含む。インタークーラ27は、圧縮機インペラ22によって圧縮されて昇温した吸入空気を冷却することにより、充填効率を向上させるものである。インタークーラ27としては、例えば空冷式または液冷式の熱交換器が採用される。また、給気管12には、過給機20(圧縮機インペラ22)の上流側と下流側とをバイパスする流路28が設けられており、この流路28は、その中途に設けられたエアバイパス弁29によって開閉される。エアバイパス弁29としては、電気的に開閉制御し得るバルブが用いられるとよく、圧縮機インペラ22の下流側の圧力が上流側の圧力よりも所定値だけ高まった際に開弁する機械式一方向弁が用いられてもよい。
そして、上述の内燃機関1は、制御手段として機能する電子制御ユニット(以下「ECU」という)50を含む。ECU50は、何れも図示されないCPU、ROM、RAM、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶される記憶装置等を含むものである。このECU50の入出力ポートには、上述の動弁機構8、各インジェクタ10c,10p、アクセル位置センサ15a、スロットルモータ15b、スロットル開度センサ15c、吸気量センサ13および16、温度センサ18、クランク角センサ19、バルブ制御ユニット26、更には、エアバイパス弁29等が接続されている。ECU50は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、動弁機構8、点火プラグ9、インジェクタ10cおよび10p、スロットルバルブ15、バルブ制御ユニット26等を制御する。
さて、上述のように構成される内燃機関1では、基本的に、各燃焼室2への混合気の空燃比を概ね理論空燃比(λ=1)に保つストイキ運転が実行されるが、各燃焼室2からの排気ガスの温度が高い場合、過給機20のタービン入口温度が過剰に上昇して予め定められた制限温度を超えてしまうおそれがある。このような場合、各燃焼室2への燃料供給量を増加させて排気温度を低下させれば、タービン入口温度を低下させることができる。しかしながら、これでは、もはやストイキ運転を実行することが困難となり、機関効率を低下させてしまうことになる。
ここで、図2に示されるように、予め定められた条件の下でストイキ運転が実行されている際にタービン入口温度が予め定められた制限温度となった場合に、内燃機関1が発生するトルクをτとする。この場合、スロットルバルブ15とウェイストゲートバルブ25との開度は、それぞれ所定の値となるが(図2における丸印参照)、この状態から、スロットルバルブ15の開度を変化させることなく、ウェイストゲートバルブ25の開度だけを増加させると、過給機20(タービンインペラ21)に流入する排気ガスの量が減少するので、図2において三角印で示されるように、タービン入口温度は低下する(図2における三角印参照)。
一方、ウェイストゲートバルブ25の開度を増加させて過給機20に流入する排気ガスの量を減少させた場合、図2に示されるように、内燃機関1の発生トルクは、τ(ただし、τ<τ)まで低下することになる。ただし、タービン入口温度が再び制限温度を超えてしまわなければ、上述のようにウェイストゲートバルブ25の開度を増加させてから(または、これとほぼ同時に)、内燃機関1のトルクを増大化させるために、スロットルバルブ15の開度を増加させて各燃焼室2に吸入される空気量を増加させても何ら問題はない。
従って、ウェイストゲートバルブ25の開度とスロットルバルブ15の開度との増加量をそれぞれ適切に設定することにより、内燃機関1の発生トルクを最大で、従来は排気温度を低下させるために燃焼噴射量を増加させなければ得られなかった値τ(ただし、τ>τ)にまで増大化させることができる。そして、かかる手法を採用することにより、同一条件のもとでストイキ運転を実行して得られる内燃機関1のトルクを従来(図2における二点鎖線参照)に比して増大化させることが可能となる。
このような点に鑑みて、内燃機関1では、その稼動中にECU50によって、図3に示されるルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。図3のルーチンの実行タイミングになると、ECU50は、まず、アクセル位置センサ15aからの信号に基づいてアクセル踏込量を取得すると共に、クランク角センサ19からの信号に基づいて実際の機関回転数(実回転数)を取得する(S10)。アクセル踏込量と実回転数とを取得すると、ECU50は、所定のトルクマップを用いて、アクセル踏込量と実回転数とに対応した目標トルクを求める(S12)。更に、ECU50は、所定のマップから、S10にて取得した実回転数に対応する閾値τaおよびτbを読み出す(S14)。
閾値τaは、予め定められた条件の下でストイキ運転が実行され、過給機20のタービン入口温度が制限温度になり、かつ、回転数がある値(S10にて取得した実回転数)になった際に内燃機関1が発生するトルク(図2のτに相当)である。また、閾値τbは、タービン入口温度が制限温度になった際に、上述のようにウェイストゲートバルブ25の開度とスロットルバルブ15の開度とを増加させることによって得られるトルク(図2のτに相当)である。これらの閾値τaおよびτbは、それぞれ実験結果等を踏まえて回転数ごとに予め算出され、本実施形態では、閾値τaを回転数に応じて規定するマップと、閾値τbを回転数に応じて規定するマップとがECU50の記憶装置に格納されている。
S14にて閾値τaおよびτbを求めると、ECU50は、S12にて求めた目標トルクが閾値τaを下回っているか否か判定する(S16)。S16にて目標トルクが閾値τaを下回っていると判断した場合、ECU50は、タービン入口温度が制限温度を超えておらず、そのままストイキ運転の実行が可能であるとみなし、本ルーチンを一旦終了させ、本ルーチンの次の実行タイミングが到来するまで待機する。
これに対して、S16にて目標トルクが閾値τa以上であり、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうであろうと判断した場合、ECU50は、更に、S12にて求めた目標トルクが閾値τbを下回っているか否か判定する(S18)。S18にて目標トルクが閾値τbを下回っていると判断した場合、ECU50は、バルブ制御ユニット26を介してウェイストゲートバルブ25のアクチュエータを制御し、ウェイストゲートバルブ25の開度をS10にて取得した回転数に応じた量あるいは所定量だけ増加させて過給機20に流入する排気ガスの量を減少させる(S20)。ECU50は、これとほぼ同時に、スロットルモータ15bを作動させて、スロットルバルブ15の開度をS10にて取得した回転数に応じた量あるいは所定量だけ増加させる(S22)。
このように、内燃機関1では、過給機20のタービン入口温度が所定の制限温度を超えると判断される場合、ウェイストゲートバルブ25の開度が増加され、過給機20(タービンインペラ21)に流入する排気ガスの量が減少させられる(S20)。これにより、過給機20のタービンインペラ21の過剰な昇温を抑制することが可能となり、排気ガスの温度を低下させるために各燃焼室2への燃料噴射量を増加させる必要がなくなる。
そして、内燃機関1では、過給機20に流入する排気ガスの量が減少しても、これを補うように、スロットルバルブ15の開度が増加され、各燃焼室2に吸入される空気の量が増加させられる(S22)。従って、内燃機関1では、図2に関連して説明されたように、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを抑制すると共に、過給圧の低下に起因するトルクの低下を抑制しつつ、内燃機関1の発生トルクを、従来は排気温度を低下させるために燃焼噴射量を増加させなければ得られなかった値τbにまで増大化させることができる。この結果、本発明によれば、図4に示されるように、各燃焼室2への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して内燃機関1の機関効率を向上させることができる。また、S22にてスロットルバルブ15の開度が増加されることから、ポンピングロスが低減化され、それにより、燃費を向上させることも可能となる。
一方、S18にて目標トルクが閾値τb以上であると判断した場合、ECU50は、ウェイストゲートバルブ25の開度とスロットルバルブ15の開度とを調整しても、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを抑制しつつ目標トルクを得ることができないとみなし、筒内噴射用インジェクタ10cあるいはポート噴射用インジェクタ10pからの燃焼噴射量を所定量だけ増加させる(S24)。これにより、過給機20のタービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを確実に抑制することが可能となる。S22またはS24の処理が完了すると、ECU50は、本ルーチンを一旦終了させ、本ルーチンの次の実行タイミングが到来するまで待機する。
本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図1の内燃機関の動作を説明するための図面である。 図1の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。 図1の内燃機関におけるストイキ運転領域を説明するための特性図である。
符号の説明
1 内燃機関
2 燃焼室
15 スロットルバルブ
15a アクセル位置センサ
15b スロットルモータ
20 過給機
21 タービンインペラ
22 圧縮機インペラ
23 回転軸
24 バイパス流路
25 ウェイストゲートバルブ
26 バルブ制御ユニット

Claims (4)

  1. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
    前記燃焼室から排出される排気ガスを利用して前記燃焼室に吸入される空気を過給する過給機と、
    前記燃焼室から前記過給機に供給される排気ガスの量を調整するための排ガス流量調整手段と、
    前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量が減少するように前記排ガス流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記燃焼室に吸入される空気の量を調整するためのスロットルバルブを更に備え、
    前記制御手段は、前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量が減少するように前記排ガス流量調整手段を制御すると共に、前記燃焼室に吸入される空気の量が増加するように前記スロットルバルブを制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  3. 排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備え、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の運転方法において、
    前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量を減少させることを特徴とする内燃機関の運転方法。
  4. 前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量を減少させる一方、前記燃焼室に吸入される空気の量を増加させることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の運転方法。
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